Лабутина И.А., Балдина Е.А. Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем особо охраняемых природных территорий

Подождите немного. Документ загружается.

Методическое пособие

В последние годы стремительно растет число работ, в которых

анализируются изменения в природных системах в связи с измене-

ниями климата. Так, А.И. Михеева по материалам дистанционного

зондирования исследовала пространственную изменчивость поло-

жения верхней границы леса в Хибинах (Михеева, 2010). Хибинский

горный массив, расположенный в центре Кольского полуострова –

один из перспективных горных районов для изучения реакции лесо-

тундровой растительности на изменения климата. В работе отмечает-

ся трудность задачи выделения верхней границы леса, которая давно

стоит перед исследователями. На основе обзора литературы показа-

но, что разработано множество критериев ее выделения, например:

сомкнутость крон древесного яруса, величина островка леса, высота

и диаметр деревьев, предел распространения пряморослых деревьев.

Выделенные таким образом границы — условные линии, так как

растительность представляет собой пространственный континуум.

Верхняя граница леса – зона контакта двух экосистем, в простран-

стве она больше похожа на полосу. В проведенном исследовании в

качестве границы леса принята условная линия, ниже которой нахо-

дится сплошной лес, ясно распознаваемый на космических снимках

высокого разрешения по яркости, и выше которой отмечается нали-

чие признаков (в основном яркостных) более высокого фитоценоза

(в данном случае тундры).

Определение положения верхней границы леса, ее пространствен-

ных вариаций, а также факторов, влияющих на ее положение, для по-

следующей оценки динамики во второй половине XX в. выполнено

на примере Хибинского горного массива. Поставленные задачи ре-

шались на основе материалов космической съемки, осуществленной с

индийского спутника IRS сенсорами LISS и PAN 23 июля 2004 г. (про-

странственное разрешение 23 и 5,8 м), космического снимка ASTER/

Terra от 30 июля 2004 г., цифровых топографических карт масшта-

ба 1:50 000, карты природных территориальных комплексов Хибин,

геоботанических описаний. Работы по географической привязке

снимков, визуальному и автоматизированному дешифрированию

объектов, расчеты и интерпретация результатов проводились в геоин-

формационной среде в пакетах ERDAS Imagine и ArcGIS. Итогом ра-

боты стала карта пространственных вариаций верхней границы леса

Хибинского горного массива в масштабе 1:50 000, которая позволила

сделать ряд выводов об особенностях произрастания леса и измене-

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

ниях его границы. Например, граница леса повсеместно определяется

формами рельефа, на которых он произрастает. Крутизна склонов ча-

сто служит лимитирующим фактором для верхней границы леса, так

как на очень крутых склонах почвенный смыв и иные процессы эро-

зионной природы не позволяют формироваться зональным почвам, а

зачастую уничтожают сами деревья. Обычно предел по крутизне со-

ставляет 20–23°. Исследованиями было подтверждено, что главный

фактор произрастания леса – увлажненность почвы и воздуха, а оро-

графические факторы лишь вторичны. В данном случае можно гово-

рить о проявлении закона минимума Либиха: увлажненность почвы и

воздуха – те факторы, недостаток действия которых влияет на выжи-

вание деревьев у верхней границы леса. Пространственные вариации

положения границ леса во многом связаны с локальной экспозицией

склонов. На склонах западной экспозиции лес может подниматься до

самого гребня, тогда как на восточном склоне едва превышает 300 м.

Огромное воздействие на лес и, в частности, на положение его верхней

границы оказывает антропогенный фактор – вырубки нарушают есте-

ственное положение границы леса, такую ситуацию можно наблю-

дать, например, на хорошо освоенных территориях. Главное значение

орографического фактора заключается в том, что чем выше растет лес,

тем сильнее влияют на его произрастание все остальные факторы. На

больших высотах даже незначительная смена экспозиции и крутизны

может повлиять на исчезновение древесных форм. На определенной

высоте, которая служит пределом распространения древесной расти-

тельности, леса сменяются тундрой.

Примеры изучения реакции горных ледников на изменения

климата с использованием разновременных материалов дистан-

ционного зондирования можно привести, основываясь на работах

Е.А.Золотарева (Золотарев, 2009) и Е.А. Золотарева и Е.Г. Харьковца

(Золотарев, Харьковец, 1996, 2000, 2007). В этих работах исследова-

ние эволюции оледенения Эльбруса базируется на трех фиксирован-

ных датах: 1957, 1979 и 1997 гг., которые образуют два почти равных

интервала времени. Данные 1957 г. были представлены оцифрован-

ной топографической картой масштаба 1:10 000, составленной по ма-

териалам фототеодолитной съемки в лаборатории аэрокосмических

методов кафедры картографии и геоинформатики географического

факультета Московского университета, а 1979 и 1997 гг. – материа-

лами аэрофотосъемок, обработанных с помощью цифровых техноло-

Методическое пособие

гий. В результате на каждую из дат были составлены цифровые моде-

ли всего оледенения. Их сопоставление дало возможность измерить

изменение границ и высоты поверхности оледенения для каждого

из интервалов времени. Оно облегчалось тем, что все три цифровые

модели оледенения были составлены в единой системе координат и

опирались на одни и те же пункты съемочного обоснования. Макси-

мально возможная среднеквадратическая ошибка при совмещении

разновременных цифровых моделей в плане и по высоте составила

2,5 м и была рассчитана по 20 контурным точкам, опознанным на

карте и на снимках. Количественные данные по изменению площа-

ди и объема оледенения Эльбруса позволили авторам сделать вывод,

что за 40 лет (с 1957 по 1997 г.) объем оледенения Эльбруса умень-

шился на 1,2 км

, что составляет около 1 км

воды, из них 45% при-

ходится на два ледника северо-восточного склона. Примечательно,

что 98% этого объема – это нижняя часть оледенения от окончаний

языков до высоты 4000 м.

Технология выполнения работ по сравнению разновременных

аэрокосмических материалов при изучении высокогорных ледников

описана в других работах (Золотарев, Харьковец, 1996, 2000, 2007).

Современный этап картографического изучения ледников характери-

зуется цифровой фотограмметрической обработкой наземных, аэро- и

космических снимков. Появились "цифровые снимки", которые для

нужд горной гляциологии пока получают в основном путем скани-

рования и цифровой записи материалов фотографической аэро- или

фототеодолитной съемки. Обработку стереопар цифровых снимков

выполняют с помощью цифровых фотограмметрических программ-

ных комплексов, построенных на базе вычислительных систем, в том

числе и персональных компьютеров. В представленных здесь работах

использовалось преимущественно собственное программное обеспе-

чение, разработанное Е.Г. Харьковцом. Цифровой метод картогра-

фирования ледников рассмотрен на примере составления цифровой

ортофотокарты Эльбруса по материалам аэрофотосъемки 1997 г.

Цифровая ортофотокарта составлялась с использованием циф-

рового фотограмметрического программного комплекса, который

включал следующие основные компоненты: программный стерео-

компаратор для измерения координат точек по цифровым снимкам;

программы для проведения фотограмметрических расчетов, в том

числе блочной фототриангуляции; программы для автоматического

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

измерения параллаксов и набора точек цифровой модели рельефа;

стереоредактор для редактирования стереомодели и цифрования

контуров при визуальном дешифрировании стереомодели, наблю-

даемой на мониторе персонального компьютера с помощью жид-

кокристаллических затворных стереоочков; программы построения

цифровой модели рельефа и создания ортофотоизображения. Фото-

грамметрическая обработка включала измерение опорных точек,

фототриангуляцию, набор точек для цифровой модели рельефа и со-

ставление ортофотоплана. Цифровые снимки были предварительно

получены путем записи исходных аэрофотоснимков на фотограмме-

трическом сканере.

Определение элементов ориентирования снимков и вычисление

пространственных координат измеряемых точек основывались на

проведении блочной фототриангуляции с использованием большо-

го количества опорных точек по всей площади аэрофотосъемки. Это

позволило достичь точности определения координат порядка 1,5 м в

плане и по высоте, достаточной для создания карты в масштабе 1:10

000. Основными элементами содержания созданной ортофотокарты

являются ортофотоизображение с разрешением 1 м на местности, ре-

льеф, изображаемый горизонталями с сечением 10 м, и отдешифриро-

ванная граница ледников.

Картографирование рельефа проводилось с использованием в

качестве промежуточных данных его цифровой модели. Набор то-

чек ЦМР осуществлялся по стереопарам взаимно ориентированных

снимков. Необходимость набора большого количества точек для по-

строения детальной модели рельефа обусловила применение авто-

матизированных методов стереоизмерения, с использованием кото-

рых было получено 96% точек ЦМР. Остальные точки были набраны

во время визуального контроля результатов измерений с помощью

программы-стереоредактора после обработки каждой из стереопар.

Общее количество измеренных точек составляет около 1 000 000 на

всю обрабатываемую территорию. Полученная ЦМР использовалась

для построения горизонталей и при ортотрансформировании аэро-

фотоснимков.

Границы оледенения определялись в режиме визуального дешиф-

рирования при стереоскопическом рассмотрении снимков, увеличен-

ных в стереоредакторе приблизительно до масштаба 1:5 000, что по-

зволило изобразить их достаточно точно.

Методическое пособие

Особое значение при мониторинге ледников имеет определение

изменения высоты поверхности ледника, на основе чего устанавли-

вается изменение его объема. Традиционно для этого используются

картометрические способы определения по разновременным карто-

графическим материалам. Однако большая трудоемкость картогра-

фирования ледников на основе материалов фототеодолитной съемки

или аэрофотоснимков и стремление повысить точность определения

изменений путем использования материалов повторных съемок без

предварительного создания по ним карт обусловили необходимость

их непосредственного совмещения на универсальных приборах. При

таком способе стереопары повторной съемки ориентировались по кар-

там, составленным на основе более ранних съемок. Измерения про-

водились при наведении визирного устройства координатографа на

горизонталь карты или узел регулярной сетки и одновременном на-

ведении марки стереоавтографа на поверхность стереомодели. На-

ведение на горизонталь не требует интерполяции рельефа по карте.

Измерения в узлах регулярной сетки, напротив, предусматривают та-

кую интерполяцию, но они предпочтительнее при восстановлении не-

прерывной поверхности изменения высоты. Обе разновидности этого

способа позволяют определять изменения высоты точнее, чем карто-

метрическими способами.

Иллюстрации визуальных наблюдений стереомодели смещения,

составленной из двух повторных снимок на примере изменений одно-

го из ледников Эльбруса, можно найти в учебных материалах Межу-

ниверситетского аэрокосмического центра (http://www.geogr.msu.

ru/science/aero/acenter/int_sem5/sem5_1.htm). Высокая трудоемкость

такого способа и его ограничения, связанные с техническими возмож-

ностями совмещения повторных снимков и карт, стали причиной

перехода к аналитическим способам обработки снимков. Предпри-

нимались попытки определения изменения высот путем сравнения

ЦМР, построенных по разновременным стереопарам. Эксперимен-

тально было установлено, что при наборе точек по регулярной или

какой-либо произвольной сетке, при использовании структурных ли-

ний или других способов детализации поверхностей, полученных по

независимо измеряемым стереопарам, не удается значительно повы-

сить точность определений, а аналитически полученная поверхность

изменений существенно отличается от реальной. Выход был найден

в проведении согласованных измерений стереопар – в одних и тех же

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

точках с предварительно заданными плановыми координатами (Зо-

лотарев, Харьковец, 1996). В этом случае значение изменения высоты

в точке получается непосредственно, без промежуточных интерполя-

ций, с существенно более высокой точностью, обеспечиваемой приме-

нением аналитических способов. При необходимости расположение

точек может соответствовать узлам регулярной сетки в плановой си-

стеме координат. Это стало возможным после появления стереоком-

параторов, передающих значения измеряемых координат снимков

непосредственно на вычислительную систему, что позволяет при из-

вестных элементах внешнего ориентирования снимков производить

взаимный пересчет координат снимков и местности непосредственно

во время наведения стереоскопической марки на поверхность ледни-

ка. Тем самым корректируются координаты марки и достигается ее

положение на поверхности ледника в точке с необходимыми плано-

выми координатами.

Накоплен опыт изучения и оценки состояния природ-

ных и природно-антропогенных экосистем ООПТ. Напри-

мер, в работе (Тишков, Малышев, 2006) всесторонне рассматрива-

ется использование спутниковой информации для дистанционного

мониторинга состояния экосистем ООПТ. Особо отмечен тот факт,

что размеры ООПТ и использование для их мониторинга данных дис-

танционного зондирования тесно связаны. При мониторинге ООПТ

различного уровня (регионального, субрегионального и локального)

первостепенное значение имеет пространственное разрешение, с ко-

торым была получена информация. Размеры ООПТ различаются от

нескольких сот гектаров (некоторые участки кластеров степных запо-

ведников, заказников и памятников природы) и тысяч гектаров (не-

большие участки лесных и горных заповедников, национальных пар-

ков и заказников) до сотен тысяч и миллионов гектаров (арктические,

тундровые и таежные заповедники и национальные парки). Анало-

гичным образом меняются и объекты наблюдений при мониторинге.

Например, полосы отчуждения линейных сооружений – 30–100 м при

их протяженности в границах ООПТ от нескольких десятков метров

до десятков и сотен километров. Природные объекты мониторинга

более масштабны, если речь идет об оценке состояния экосистем пло-

щадью от сотни до нескольких тысяч гектаров (нефрагментированные

массивы тундр, тайги, степей, пустынь, высокогорий), или, наоборот,

Методическое пособие

имеют «миниатюрные размеры» (очаги загрязнения и механических

нарушений – десятки и сотни метров по площади, очаги подтопления

и изменения гидрологического режима – сотни и первые тысячи м),

зоогенные нарушения растительности и пр.

В таблице 5 представлена сводная характеристика возможностей

проведения мониторинга объектов разных типов, расположенных на

ООПТ с указанием наиболее подходящих для этой цели видов данных

дистанционного зондирования.

Таблица 5

Природные и техногенные объекты ООПТ для мониторинга с помощью

спутниковых систем дистанционного зондирования

(по Тишков, Малышев, 2006)

Процессы,

наблюдаемые

при

дистанционном

мониторинге

Многоспектральные сканирующие

системы с пространственным

разрешением 20–50 м

Спутниковые системы

с пространственным разрешением

1–8 м

природные

объекты

техногенные

объекты

природные

объекты

техногенные

объекты

Природные

сезонные и

погодичные

флуктуации

растительности

Ландшафты,

растительные

сообщества,

массивы лесов

и тундр, степные

кластеры, участки

болот, поймы

средних

и крупных рек

Состояние

растительности

вдоль магистраль-

ных трубопрово-

дов, ЛЭП-250,

ЛЭП-500, вдоль

транспортных

коридоров

федеральных

трасс, плотины и

дамбы на средних

и крупных реках,

сельхозугодья

в границах ООПТ

Границы ландшаф-

тов

и растительных

сообществ,

граница леса на

северном и южном

пределах, верхняя

граница леса

в горах, поймы

малых рек. полосы

«лес – степь»,

«лес – болото»

и пр.

Полосы отчужде-

ния федеральных

и региональных

автомобильных

и железных дорог,

газо- и нефтепро-

водов, состояние

противопожарных

полос, границ с

сельхозугодьями,

рекреационными

зонами и пр.

Первичные

и вторичные

сукцессии

растительности

Аллювиальные

ландшафты,

дельты, острова,

высокогорья,

крупные гари и

ветровалы (десятки

и сотни тыс. га).

полосы схода

селевых потоков

и пр.

Эродированные

сельскохозяйствен-

ные земли, сбитые

пастбища, отвалы,

спущенные и вновь

созданные

водохранилища,

нарушенные при

строительстве

линейных

сооружений земли

и пр.

Меловые

обнажения,

поймы малых рек,

экотоны

растительных

сообществ,

острова леса в

тундре, березовые

и осиновые колки в

лесостепи, морены,

ложбины стока,

мелкие гари

Локальные

нарушения

целостности

растительного

покрова, следы

гусеничного

транспорта,

заброшенные

скважины, зимники,

места форсирова-

ния берегов рек

наземным

транспортом, пятна

разливов нефти

и др.

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

Последствия

климатических

изменений

Зональные

экотоны: тундра –

тайга, хвойные и

широколиственные

леса, дубравы –

степи, лиственнич-

ники – степи,

верхняя граница

леса и субальпий-

ской растительно-

сти в горах

Очаги активизации

техногенной

эрозии, участки

с нарушениями

мерзлотного

режима почво-

грунтов вдоль

трубопроводов

и пр.

Граница раститель-

ных сообществ,

природные

пастбища

копытных,

местообитания

редких видов,

убежища крупных

хищников, водоемы

на ООПТ

Зоны влияния

конкретных

линейных

сооружений

и хозяйственных

объектов на ООПТ

Последствия

природных

катастроф

Крупные участки

нарушений (сотни

метров и более):

гари, оползни,

сели, осыпи,

карст и пр.

Участки нарушений

(сотни метров

и более) в границах

влияния техноген-

ных объектов

Участки нарушений

(метры – десятки

метров)

Участки нарушений

в границах влияния

техногенных

объектов

Последствия

техногенных

процессов, в

т.ч. локального,

регионального

и глобального

загрязнения

Участки техногенных нарушений

(сотни метров и более): разливы нефти,

гибель растительности в зонах влияния

атмосферных выбросов, кислотных

дождей и пр.

Локальные нарушения (метры –

десятки метров): пятна разливов нефти,

участки загрязнения растительности,

техногенные геохимические аномалии

грунтов

Последствия

антропогенных

изменений ги-

дрологического

режима

Зоны подтопления, дренирования, изме-

нения паводкового режима, затопления

водохранилищами, подтопляющего

влияния на растительность, трансфор-

мации ледового режима водоемов и пр.

Зона локального влияния изменения

гидрологического режима

Биотические

катастрофы

и инвазии

чужеродных

видов

Крупные очаги инвазии чужеродных

видов, размножения животных-

вредителей сельского и лесного хозяй-

ства, заросли растений, содержащих

наркотические и психотропные веще-

ства, фронтальное движение саранчи,

катастрофически сбитые пастбища и др.

Локальные очаги хвое- и листогрызущих

насекомых, катастрофические миграции

животных, участки зоогенных поврежде-

ний растительности, локальные заросли

растений, содержащих наркотические

и психотронные вещества, и др.

Возможности организации системы мониторинга на

охраняемой территории с помощью данных дистанционного

зондирования показаны авторами (Лабутина и др., 2009) на примере

изучения распространения зарослей лотоса в Астраханском заповед-

нике. Известно, что дельта Волги обладает уникальным особенностя-

ми, связанными прежде всего с ее формированием в условиях суще-

ственных колебаний уровня приемного бассейна, Каспийского моря,

которые сказываются на природных и хозяйственных геосистемах.

Отмечается значительное усиление антропогенного воздействия на

природные комплексы дельты и взморья в связи с расширением по-

Методическое пособие

исковых работ, а местами и добычей углеводородного сырья. В то же

время нижняя часть дельты Волги и устьевого взморья еще в 1975 г.

была включена в Список Конвенции о водно-болотных угодьях, име-

ющих международное значение (Рамсарская конвенция) и подлежит

охране. Авторы отмечают особую актуальность мониторинговых ис-

следований в дельте, опирающихся на применение данных дистан-

ционного зондирования и разработку геоинформационных методов

получения на их основе географически надежных результатов. Все

компьютерные этапы работ выполнялись средствами системы ILWIS.

Основными исходными материалами выполненных работ служи-

ли на первых этапах аэрофотоснимки, позже космические снимки,

полученные в разные годы съемочными системами с разным про-

странственным разрешением, а также многолетние полевые наблю-

дения совместно с сотрудниками заповедника, служившие базовой

информацией при компьютерной обработке снимков.

Картографированию особенностей пространственного рас-

пространения лотоса орехоносного, занесенного в Красную книгу

России, было уделено особое внимание, в частности, оценивалась

возможность определения по дистанционным данным площади

зарослей как показателя экологического состояния рамсарского

водно-болотного угодья. Материалами для изучения особенностей

распространения лотоса и создания разновременных карт Дам-

чикского участка заповедника и его охранной зоны и приустьево-

го взморья Волги в целом служили космические снимки за период

1977–2009 гг.

Сравнение двух методов обработки космических данных – ком-

пьютерной классификации и составления карт с применением как

компьютерного, так и визуального дешифрирования – показало,

что при определении площади зарослей оба метода дают сопоста-

вимые результаты, а при изучении изменений в пространственном

распределении сообществ преимущество имеет картографирование.

На акватории Дамчикского участка наметилась тенденция разруше-

ния некоторых старых зарослей наряду с укрупнением относительно

молодых и формированием новых. Сопоставление компьютерными

средствами фрагментов разновременных снимков Landsat 5 террито-

рии заповедника позволило выявить не только сезонные изменения

в распространении лотоса, но и очень существенные различия в пло-

щади и состоянии отдельных зарослей в снимках разных лет.

Использование данных дистанционного зондирования для мониторинга экосистем ООПТ

В результате картографирования сообществ лотоса на всем при-

устьевом взморье в 1987 и 2009 гг. было установлено, что за этот пе-

риод площадь растительных сообществ с участием лотоса возросла

на 17,8 тыс. га. Одновременно с приростом произошло разрушение

зарослей, существовавших ранее, на площади 10,7 тыс.га. Появление

новых зарослей и разрастание существовавших отмечено в север-

ной половине ареала распространения, а разрушение происходило в

основном в его южной части.

Результаты изучения и картографирования распространения лото-

са позволили сделать вывод о возможности мониторинга зарослей по

дистанционным данным, определить три уровня наблюдений и сро-

ки их проведения, рекомендовать космические снимки для исполь-

зования на каждом из уровней. Мониторинг распространения лотоса

орехоносного на приустьевой акватории дельты Волги предполагает

определение площади и картографирование зарослей, сопоставляя

наземные наблюдения и данные космической съемки разной перио-

дичности и различного пространственного разрешения. Ежегодные

наблюдения на детальном и локальном уровнях позволят фиксиро-

вать изменения, вызванные метеорологическими и гидрологически-

ми условиями года, а также тенденции разрушения или разрастания

отдельных зарослей и причины, вызывающие их. На региональном

уровне наблюдения с периодичностью в 5–7 лет могут обеспечить вы-

явление многолетних изменений массивов лотоса в разных частях

дельты под влиянием как антропогенных, так и природных факторов.

Использование площади сообществ лотоса в качестве единственного

показателя его распространения недостаточно, поскольку она не дает

представления об особенностях и изменениях мест произрастания

этого растения. Преимущества в этом отношении имеет карта. Точ-

ность определения изменений площади сообществ с участием лотоса,

вычисленная по картам, зависит от пространственного и временного

масштабов: надежные данные об изменениях суммарной площади и

особенностях распространения лотоса можно получить лишь для про-

тяженной территории и за значительный промежуток времени.

Комплексное картографирование аквальных ландшаф-

тов мелководной акватории на Дамчикском участке Астраханского

заповедника и создание серии электронных карт – еще один пример

успешного применения космических снимков, материалов полевых

обследований и методов картографирования на основе ГИС (Лабути-